近日，由美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)物理研究所兰道夫·波尔(Randolf Pohl)教授领导的研究小组，在确定原子核基本性质方面取得重大突破。该团队首次在瑞士保罗·谢勒研究所针对μ子氦 - 3开展激光光谱实验，相关研究结果于发表在《科学》杂志上。
μ子氦 - 3是一种特殊的氦，其原子的两个电子被一个更重的μ子取代。兰道夫·波尔教授表示：“我们利用μ介子氦 - 3进行的实验，提供了迄今为止该原子核电荷半径最精确的数值。这主要是因为较重的μ介子比普通原子中的电子更靠近原子核，使其对原子核的大小和结构更加敏感。”氦原子核始终由两个质子组成，不同同位素依据原子核中的中子数量区分：氦 - 3除两个质子外含一个中子，较重的氦 - 4则含两个中子。波尔教授团队几年前已利用激光光谱和μ介子成功测量了氦 - 4。
传统上，原子核半径借助粒子加速器确定，如JGU的MAMI或未来的MESA。然而，此次从μ子氦测量中获得的新值，精度提高了15倍，达到1.97007 ± 0.00097飞米。电子激光光谱法此前已成功应用于最轻的原子核，如氢和氘。对于氦，虽存在高精度测量，但氦原子中两个电子的存在使理论计算更复杂，无法仅从这些测量结果准确确定原子核半径。不过，可确定不同氦同位素(质子数相同但中子数不同的原子核)之间的电荷半径差异。此次从μ子氦测量获得的新结果，与阿姆斯特丹一个研究小组最近对普通氦进行的实验结果一致，该实验结果同样于昨日发表在《科学》杂志上。
波尔称：“结合我们2021年发表在《自然》杂志上关于μ子氦 - 4的早期研究结果，我们现在能够精确确定氦 - 3和氦 - 4之间的电荷半径差异，这是一项重要进步。”
美因茨团队和阿姆斯特丹团队的测量结果高度一致，证实了关于最轻原子核的核物理现有知识。这些知识部分基于对原子核结构的关键理论计算，这些计算也在PRISMA +卓越集群内进行。索尼娅·巴卡教授的团队计算了μ子对氦核结构的影响，马克·范德海根教授和弗朗西斯卡·哈格尔斯坦博士则探索了质子和中子的作用。这些理论基础使得能够从精确的实验数据中提取有关原子核的可靠信息。
“准确了解核电荷半径对于确定里德伯常数等基本物理常数至关重要，”波尔解释道，“这对于探索新物理学——标准模型中尚未包含的粒子和力——也至关重要。此前该领域缺乏精确数据，带来很大不确定性。”
展望未来，美因茨实验和理论物理学家团队计划将方法应用于其他原子核，范围从锂到氖，其精度将比基于粒子加速器的方法高出十倍。他们将使用创新的X射线探测器代替激光。这项工作与波尔团队之前领导的实验一样，由德国研究基金会(DFG)资助，是约翰内斯古腾堡大学1660合作研究中心的一部分。
